年產(chǎn)7.5萬噸氯乙烯固定床反應(yīng)器設(shè)計

武漢工程大學(xué)本科專業(yè)課程設(shè)計②根據(jù)反應(yīng)方程式4-1、4-2、4-3，及已知數(shù)據(jù)，計算反應(yīng)器出口的氣體量。已知乙炔氣/氯化氫=1:1.08，所以取乙炔氣為100kmol/h,氯化氫為108kmol/h。乙炔的起始含量：鹽酸的起始含量：氮氣的起始含量：水的起始含量：（2）前臺反應(yīng)器各組分的出口含量乙炔的出口含量：氯乙烯的出口含量：二氯乙烷的出口含量：鹽酸的出口含量：水的出口含量：乙醛的出口含量：（3）后臺反應(yīng)器各組分的出口含量乙炔的出口含量：氯乙烯的出口含量：二氯乙烷的出口含量：鹽酸的出口含量：水的出口含量：乙醛的出口含量：表4-4各反應(yīng)器各組分的進出口含量組分C2H2HC1H2ON2CH2CHC1C2H4C12CH3CHO進料出口一出口二99.0627.741.387106.634.688.1200.10480.03350.00712.2612.2612.2610.000070.6196.700.00000.64190.87910.00000.07130.0977（4）實際裝置每小時生產(chǎn)的氯乙烯可折算為故進料氣體中乙炔氣為100kmol/h，可生產(chǎn)氯乙烯96.6964kmol/h，若要達到166.6667kmol/h的氯乙烯生產(chǎn)能力，則所需乙炔氣的原料量為：所需氯化氫的原料量為：表4-5進出口流量表組分C2H2HC1H2ON2CH2CHC1C2H4C12CH3CHO總量1170.7183.70.18063.8970.00000.00000.0000358.5進料2443967053.251109.10.00000.00000.00001125630.47630.51240.00050.01090.00000.00000.00001.000出147.8159.760.05773.897121.71.1060.1229234.47口2124321811.038109.17607109.55.40811256一30.20390.25450.01660.00050.51920.00500.00031.000出12.39013.930.01223.897166.71.5150.1673188.6口262.15508.30.2196109.110417150.07.361211256二30.01270.07330.00050.02070.88390.00850.00041.000（其中1為摩爾流率kmol/h，2為質(zhì)量流率kg/h，3為摩爾分數(shù)mol%）4.4反應(yīng)器的熱量衡算設(shè)原料氣帶入的熱量為，反應(yīng)熱，反應(yīng)器出料帶出的熱量，反應(yīng)器撤走的熱量[9]。當忽略熱損失時，有(4-4)表4-6各組分的比熱容溫度組分C2H2HC1H2ON2CH2CHC1C2H4C12CH3CHO353.15K383.15K47.95549.28729.13529.15075.51076.19429.18829.23660.20963.40084.85889.12960.57664.0684.4.1前臺反應(yīng)器的熱量衡算（1）原料氣帶入的熱量原料氣的入口溫度為353.15K，以273.15K為基準溫度，則(4-5)計算結(jié)果列于表4-7中表4-7原料氣中各組分的比熱容的計算組分C2H2HC1N2H2O合計47.95529.13529.18875.510.47630.51240.01090.00051.000122.84114.92880.31810.037838.1257（4-6）由公式4-3可得（2）反應(yīng)熱在操作條件下，主副反應(yīng)的熱效應(yīng)分別為主反應(yīng)(4-7)副反應(yīng)(4-8)(4-9)則主反應(yīng)的放熱量為：則副反應(yīng)的放熱量為：（3）轉(zhuǎn)化后的氣體帶出的熱量表4-8轉(zhuǎn)化后各組分的比熱容組分C2H2HC1N2H2OC2H3C1C2H4C12C2H4O總計49.329.229.276.263.4040.2550.0160.00050.5190.0050.00031.00010.17.420.4850.03832.920.4460.01951.37轉(zhuǎn)化后氣體帶出的溫度為383.15K，以273.15K為基準溫度，則(4-10)計算結(jié)果列于表4-8中(4-11)由公式4-8可得（4)反應(yīng)器的撤熱量(4-12)可得反應(yīng)器的撤熱量：4.4.2后臺反應(yīng)器的熱量衡算（1）原料氣帶入的熱量原料氣的入口溫度為383.15K，以273.15K為基準溫度，計算結(jié)果列于表4-9中表4-9原料氣中各組分的比熱容組分C2H2HC1N2H2OC2H3C1C2H4C12C2H4O總計49.329.229.276.263.4040.2550.0160.00050.5190.0050.00031.00010.17.420.4850.03832.920.4460.01951.37由公式4-8可得（2）反應(yīng)熱在操作條件下，主副反應(yīng)的熱效應(yīng)分別為主反應(yīng)(4-13)副反應(yīng)(4-14)(4-15)則主反應(yīng)的放熱量為：則副反應(yīng)的放熱量為：（3）轉(zhuǎn)化后的氣體帶出的熱量轉(zhuǎn)化后氣體帶出的溫度為383.15K，以273.15K為基準溫度，則(4-16)計算結(jié)果列于表4-10中表4-10轉(zhuǎn)化后各組分的比熱容組分C2H2HC1N2H2OC2H3C1C2H4C12C2H4O總計49.329.229.276.263.4130.0730.0210.00050.8840.00850.00041.0000.6262.170.6050.03856.00.7570.02660.2(4-17)由公式4-8可得（4)反應(yīng)器的撤熱量(4-18)可得反應(yīng)器的撤熱量：

第5章反應(yīng)器的設(shè)計5.1RK方程計算理論進料氣參數(shù)在物料衡算和熱量衡算的基礎(chǔ)上，可以對反應(yīng)部分主要設(shè)備的工藝參數(shù)進行優(yōu)化計算。這一部分主要是反應(yīng)器的工藝參數(shù)優(yōu)化。立方型狀態(tài)方程RK用于氣體的V0，查《化工熱力學(xué)》[10]可知RK方程(5-1)(5-2)(5-3)由《化工熱力學(xué)》附表1查得，乙炔的TC和PC值可得代入式5-1有運用直接迭代法，查《化工熱力學(xué)》可知RK方程的直接迭代方程為(5-4)迭代的結(jié)果如表5-1表5-1Vi的迭代結(jié)果VV0V1V2V3V4m3·mol0.00293600.00298070.00298250.00298250.0029825有(1)催化劑總體VR(m3)是決定反應(yīng)器主要尺寸的基本依據(jù)，其計算公式如下所示：(5-5)式中：V—乙炔氣流量，m3/h；SV—空速，h-1。由于平均空速為37h-1，則前臺反應(yīng)器的空速為(2)反應(yīng)器床層截面積A(m2)及高度H(m)的計算床層高度為床層截面積為5.2確定反應(yīng)器的基本尺寸及根數(shù)工業(yè)上使用反應(yīng)器的反應(yīng)管規(guī)格為Φ57×3.5mm的不銹鋼管，則：反應(yīng)管內(nèi)徑：(根據(jù)《化工原理（上）》[11]附表7.2〈熱軋無縫鋼管〉GB8163—87選擇）每根管可填充催化劑的量管的根數(shù)圓整后需管的根數(shù)為7482。規(guī)格為Φ3200的轉(zhuǎn)化器內(nèi)有1600根Φ57×3.5mm的不銹鋼管，為達生產(chǎn)規(guī)定需4.68臺，圓整后需5臺Φ3200的轉(zhuǎn)化器。5.3實際狀況催化劑用量床層截面積乙炔體積流量乙炔摩爾流量原料氣的總摩爾流量前臺反應(yīng)器出口摩爾流量后臺反應(yīng)器出口摩爾流量氯乙烯年產(chǎn)量質(zhì)量流量5.4床層壓力降的計算由《化學(xué)反應(yīng)工程》[12]可查得如下計算公式(5-6)式中—床層壓力降，Pa；H—催化床層高度，m；G—質(zhì)量流量，kg/m2?s；—氣體密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；ε—固定床空隙率；—催化劑顆粒當量直徑，m；μ—氣體粘度，Pa·s和kg/m·s。（1）平均密度（2）質(zhì)量流量G（3）當量直徑dp本次設(shè)計所選用的催化劑為圓柱狀，Φ3mm×6mm，則其當量直徑為：（4）平均黏度μm及壓降ΔP由附錄一黏度系數(shù)表，運用內(nèi)插法可得：表5-2各組分的粘度系數(shù)(μ/μPa·s)溫度組分C2H2HC1H2ON2CH2CHC1C2H4C12CH3CHO353.15K383.15K120.55129.75172.51187.14355258.9198.52210.15122.70132.80110.45120.01102.78111.21前臺反應(yīng)器：空隙率取0.8，由式5-6得后臺反應(yīng)器：空隙率取0.8，由式5-6得5.5傳熱面積的核算5.5.1床層對壁面的給熱系數(shù)對于反應(yīng)器，催化劑床層是被冷卻的。此時催化床層與反應(yīng)器內(nèi)壁的給熱系數(shù)，可用下式進行計算：(5-7)式中-床內(nèi)氣體的給熱系數(shù)，；-反應(yīng)管內(nèi)徑，；-催化劑顆粒直徑，；-通過床層的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，；-氣體的粘度，；-氣體的線速度，；-通過床層的氣體的密度，。表5-3通過床層的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)(:)溫度組分C2H2HC1H2ON2CH2CHC1C2H4C12CH3CHO353.15K383.15K0.02790.03120.01790.01930.6740.68440.0296003150.01040.0121001280.01470.01680.0188式（5-1）RK方程中a,b采用混合規(guī)則：(5-8)(5-9)交叉項(5-10)其中，先求，由附錄一可查得，各物質(zhì)的和代入（5-2）和（5-3）則計算結(jié)果如表5-4。表5-4各組分的和組分C2H2HC1N2H2OCH2CHC1C2H4C12CH3CHO8.0326.7511.55814.28520.18536.51224.194bi3.61688×E-052.81403×E-052.6784×E-052.11459×E-055.52425×E-0557.43857×E-055.95855×E-05由表5-4中各組分的和值及式5-10，可得交叉項如表5-5。表5-5組分交叉項的計算組分C2H2HC1N2H2OCH2CHC1C2H4C12CH3CHOC2H28.0327.3643.53710.71212.73317.12513.940HC1―6.7513.2439.82011.67315.70012.780N2――1.5584.7185.6087.5426.140H2O―――14.28516.98122.83818.591CH2CHC1――――20.18527.14822.099C2H4C12―――――36.51229.722CH3CHO――――――24.194由表5-5計算得和代入式（5-1）運用直接迭代方程（5-4）以的迭代結(jié)果如表（5-6）表5-6的迭代結(jié)果ViV0V1V2V3V4m3.mol-10.00029360.00288970.00288820.00288810.0028881有氣體的線速度（1）前臺反應(yīng)器：（2）后臺反應(yīng)器：通過床層的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，：由公式5-12得5.5.2.總傳熱系數(shù)的計算以管外表面為基準，不銹鋼反應(yīng)管導(dǎo)熱系數(shù)=17.97其計算公式如下(5-11)（1）前臺反應(yīng)器由公式5-14可得(2)后臺反應(yīng)器由公式5-14可得5.5.3.傳熱面積核算對數(shù)平均溫差公式為(5-12)由所需傳熱面積(5-13)又(5-14)(1)前臺反應(yīng)器：熱介質(zhì)采用逆流，則由公式5-15、5-16、5-17得可知，，即事跡傳熱面積大于按傳熱計算所需的傳熱面積，所以設(shè)計符合要求。（2）后臺反應(yīng)器：換熱介質(zhì)采用逆流，則由公式5-15、5-16、5-17得可知，，即事跡傳熱面積大于按傳熱計算所需的傳熱面積，所以設(shè)計符合要求。其中，如圖5-1，為反應(yīng)管的排列方式，為三角形排列。圖5-1反應(yīng)管的排列方式5.6.數(shù)據(jù)匯總表5-7數(shù)據(jù)總結(jié)前臺反應(yīng)器后臺反應(yīng)器進料摩爾流量kmol/h383.39250.74出料摩爾流量kmol/h250.74201.66進料38.125651.3739出料51.373960.2198粘度系數(shù)147.72137.59壓降Pa0.53170.55960.02080.0161298.76243.07179.79155.3氯乙烯年產(chǎn)量(萬噸）8.02催化劑用量/m39.42床層高度H/m2.85床層截面積A/m23.09轉(zhuǎn)化器規(guī)格Φ3200轉(zhuǎn)化器的臺數(shù)5反應(yīng)管規(guī)格Φ57×3.5mm

第6章設(shè)計總結(jié)本設(shè)計說明書采用乙炔法對年產(chǎn)7.5萬噸氯乙烯的裝置進行初步的工藝設(shè)計，主要對氯乙烯的氧化反應(yīng)器進行了工藝和設(shè)備的參數(shù)進行計算為氯乙烯的工藝設(shè)計提供參考。在操作壓力為0.12MPa的工藝條件下，經(jīng)過物料衡算和熱量衡算知，每小時原料實際進料量為358.5104kmol，即所需乙炔氣為170.7401kmol，氯化氫氣體為183.6925kmol，前臺反應(yīng)器需要撤走的熱量為1.5176×107kJ/h，后臺反應(yīng)器需要撤走的熱量5.7450×106kJ/h，決定采用兩組直徑為3200mm的列管式固定床反應(yīng)器并聯(lián)，每一組中為5個3200mm的反應(yīng)器串聯(lián)，列管總共有7482根，催化劑的床層高度為2.85m，催化劑總體積為9.42m3。此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)氯乙烯及反應(yīng)器方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設(shè)計終于順利完成了，從中受益匪淺。在今后社會的發(fā)展和學(xué)習(xí)實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠不可能得到社會及他人對你的認可。只有不斷的學(xué)習(xí)、實踐，再學(xué)習(xí)、再實踐，才會不斷進步，不斷超越自我。

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